DE112015004220B4

DE112015004220B4 - Gassensor

Info

Publication number: DE112015004220B4
Application number: DE112015004220.2T
Authority: DE
Inventors: Kei Sugiura; Yoshiyasu Ando
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2035-09-12
Also published as: JP6380278B2; JP2016065861A; DE112015004220T5; US10345256B2; US20170261463A1

Abstract

Gassensor zum Erfassen einer spezifischen Komponente in einem Messgas, der Folgendes aufweist:eine Kammer (2), welche in einem Gassensorelement (1) vorgesehen ist, welches gestapelte tafelförmige Keramikplatten (11-13) aufweist, wobei das Messgas in die Kammer (2) durch eine poröse Diffusionsschicht (21), welche an einem Endteil davon in einer longitudinalen Richtung des Gassensorelements (1) vorgesehen ist, eingeführt wird;eine Pumpzelle (3), welche eine Pumpelektrode (31) hat, welche an einer stromaufwärtigen Seite eines Gasstroms innerhalb der Kammer (2) zum Auspumpen von Sauerstoff in dem Messgas angeordnet ist; undeine Sensorzelle (4), welche eine Sensorelektrode (41) hat, welche an einer stromabwärtigen Seite des Gasstroms innerhalb der Kammer (2) zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration verringert wurde, angeordnet ist, wobeidas Gassensorelement (1) eine Struktur hat, in welcher die erste Keramikplatte (11) auf deren Oberfläche, die der Kammer (2) zugewandt ist, die Pumpelektrode (31) und die Sensorelektrode (41) angeordnet sind, die zweite Keramikplatte (12), welche eine Öffnung (22) hat, um die Kammer (2) zu bilden, und die dritte Keramikplatte (13), welche die Öffnung (22) bedeckt, um die Kammer (2) zu begrenzen, aufeinander gestapelt sind,die Kammer (2) eine Wölbungsform hat, in welcher eine Oberfläche wenigstens einer der ersten Keramikplatte (11) und der dritten Keramikplatte (13), welche eine Kammerwand bilden, von der Kammer (2) konvex nach innen ist, an einer Position, an der die Pumpzelle (3) gebildet ist, wobei ein Wölbungsbetrag der Oberfläche in einem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger eingestellt ist, unddie Diffusionsschicht (21) und die Kammer (2) eine Beziehung von Hp<Have erfüllen, wobei Hp eine Höhe der Diffusionsschicht (21) in einer Stapelrichtung ist und Have eine durchschnittliche Höhe der Kammer (2) in einer Stapelrichtung an der Position, an der die Pumpzelle (3) gebildet ist, ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Erfassen einer spezifischen Gaskomponente wie beispielsweise Stickoxid (NO_x), welches in Abgas in einer internen Verbrennungsmaschine enthalten ist, und genauer auf eine Kammer, welche in einem Sensorelement vom Stapeltyp gebildet ist.
[Stand der Technik]
Im Allgemeinen weist ein Gassensor, welcher für ein Abgasreinigungssystem einer internen Verbrennungsmaschine verwendet wird, eine Kammer auf, in welche Abgas, welches NO_x enthält, eingeführt wird, eine Pumpzelle, welche auf der stromaufwärtigen Seite innerhalb der Kammer angeordnet ist, zum Herauspumpen von Sauerstoff in dem Abgas aus der Kammer, und eine Sensorzelle, welche auf der stromabwärtigen Seite innerhalb der Kammer angeordnet ist, zum Erfassen einer NO_x-Konzentration in dem Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration verringert wurde. Die Pumpzelle und die Sensorzelle des Gassensors sind derart gebildet, dass ein Paar von Elektroden in einer Festkörperelektrolytplatte gebildet ist, welche eine Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit hat und eine Kammerwand bildet, und ein Sensorelement durch ein Stapeln einer Heizplatte und einer Isolierplatte auf der Festkörperelektrolytplatte gebildet wird. Anders als die Gassensoren solch einer Zwei-Zell-Struktur ist ein Gassensor einer Drei-Zell-Struktur bekannt, in welchem eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle Seite an Seite auf der stromabwärtigen einer Kammer angeordnet sind, um die Sauerstoffkonzentration in der Kammer (es sei beispielsweise Bezug genommen auf Patentliteratur 1 usw.) zu überwachen.
Patentliteratur 1 beschreibt ein Prinzip der Erfassung von NO_x durch einen Gassensor, in welchem Abgas in eine Kammer als einen Innenraum eines Sensorelements vom Stapeltyp eingeführt wird, und Sauerstoff, welcher die Erfassung behindert, nach außen von der Kammer abgeführt wird, während das Abgas durch die Pumpzelle an der stromaufwärtigen Seite hindurchtritt. Zu dieser Zeit arbeitet er, wenn eine Spannung, welche an die Pumpzelle angelegt wird, derart eingestellt ist, dass der Stromwert eines Stroms, welcher durch den Sauerstoff innerhalb der Kammer fließt, nicht von dem Spannungswert abhängt, als ein Sauerstoffsensor vom Strombegrenzertyp. Demnach wird NO_x in dem Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration verringert wurde, in der Sensorzelle an der stromabwärtigen Seite zersetzt, sodass die NO_x-Konzentration aus dem Wert eines Stromes erfasst werden kann, welcher zu dieser Zeit auftritt. Ferner kann durch ein Vorsehen der Überwachungszelle zum Erfassen einer verbleibenden Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, welches die Sensorzelle erreicht hat, die Spannung, welche an die Pumpzelle angelegt wird, geregelt werden.
Im Übrigen ist der Gassensor der Zwei-Zell- oder Drei-Zell-Struktur als ein Sauerstoffsensor bekannt (siehe beispielsweise Patentliteratur 2 usw.).
[Stand-der-Technik-Literatur]
[Patentliteratur]

[PTL1] JP H11 - 83 793 A
[PTL2] JP 2013 - 117 428 A

JP 2010 - 261 727 A offenbart ein Gassensorelement, ein Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements sowie einen Gassensor. Das laminierte Gassensorelement hat einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, die Messelektrode, die auf der Oberfläche des Festelektrolyten vorgesehen ist, die Standardelektrode, die auf der Oberfläche auf der Seite vorgesehen ist, die der mit der Messelektrode des Festelektrolyten versehenen Seite gegenüberliegt, eine Kammer für zu messendes Gas, die der Messelektrode zugewandt ist, um das zu messende Gas einzuführen, und die Atmosphärenkammer, die der Standardelektrode zugewandt ist, um die Atmosphäre einzuführen, und wird durch Laminieren einer Vielzahl von Keramikschichten gebildet. Die Kammer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des zentralen Teils in der Breitenrichtung, die das Gassensorelement in Längs- und Schichtrichtung kreuzt, größer ist als die des anderen Bereichs davon.
US 2012 / 0 247 957 A1 offenbart einen Gassensor. Der Gassensor ist mit einem mehrschichtigen Körper aus Festelektrolytschichten, einer Messelektrode, einer Referenzelektrode, einer Referenzgaseinleitungsschicht, einer Detektionseinheit und einer Heizung ausgestattet. Die Referenzelektrode und die Messelektrode sind direkt auf derselben ersten Festelektrolytschicht ausgebildet. Somit wird die Wärme von der Heizvorrichtung von einer dritten Substratschicht auf die erste Festelektrolytschicht und auch auf die Referenzelektrode und die Messelektrode durch dieselbe erste Festelektrolytschicht übertragen. Die Referenzelektrode ist mit einer Referenzgaseinleitungsschicht bedeckt, die aus einem porösen Körper besteht. Der Wärmeübergang von der Heizung zur Referenzelektrode durch die Referenzgaseinleitungsschicht ist geringer als der Wärmeübergang von der Heizung zur Referenzelektrode durch die erste Festelektrolytschicht, auf der die Referenzelektrode direkt ausgebildet ist.
[Kurzfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Die Eigenschaften, welche ein Gassensor benötigt, weisen eine Genauigkeit und eine Ansprechempfindlichkeit einer NO_x-Erfassung auf. Um die Genauigkeit einer NO_x-Erfassung zu erhöhen, ist es wünschenswert, die Häufigkeit zu erhöhen, mit welcher ein Abgas, welches durch eine Pumpzelle hindurchtritt, eine Elektrode der Pumpzelle berührt zum ausreichenden Abführen von Sauerstoffgas, sodass das Gas, dessen Sauerstoffkonzentration ausreichend abgeführt wurde, zu einer Sensorzelle gesendet werden kann. Ferner ist es, um die Ansprechempfindlichkeit der NO_x-Erfassung zu verbessern, notwendig, das Gas, welches in die Kammer genommen wird, zufriedenstellend zu verteilen, um dadurch das Abgas zu veranlassen, die Sensorzelle schnell zu erreichen.
Diese zwei benötigten Eigenschaften stehen jedoch zueinander in Widerspruch und es ist schwierig, beide von diesen zu erreichen. Das heißt, dass eine Struktur, in welcher das Abgas sich leicht an der Elektrode der Pumpzelle ansammelt zu bevorzugen ist, um das Sauerstoffgas ausreichend abzuführen bzw. zu entladen, jedoch wird, da die Zeit, welche benötigt wird, dass das Abgas durch die Pumpzelle hindurchtritt, lang wird, verhindert, dass das Gas sich zufriedenstellend verteilt.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinsicht auf solch ein Problem getätigt mit einer Aufgabe zum Vorsehen eines Hochleistungsgassensors, welcher sowohl in der NO_x-Erfassungsgenauigkeit als auch der Ansprechempfindlichkeit durch ein effektives Verbreiten von Abgas innerhalb der Kammer während Sauerstoff effizient in dem Abgas abgeführt wird, verbessert ist.
[Lösung des Problems]
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Gassensor zum Erfassen einer spezifischen Komponente in einem Messgas, der Folgendes aufweist:

eine Kammer, welche in einem Gassensorelement vorgesehen ist, welches aus gestapelten tafelförmigen beziehungsweise flachen Keramikplatten besteht, wobei das Messgas in die Kammer durch eine poröse Diffusionsschicht eingeführt wird, welche an einem Endteil davon in einer longitudinalen Richtung des Gassensorelements vorgesehen ist;
eine Pumpzelle, welche eine Pumpelektrode hat, welche an einer stromaufwärtigen eines Gasstroms innerhalb der Kammer zum Auspumpen von Sauerstoff in dem Messgas angeordnet ist; und
eine Sensorzelle, welche Sensorelektroden hat, welche an einer stromabwärtigen Seite des Gasstroms innerhalb der Kammer zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration verringert wurde, angeordnet ist, wobei
das Gassensorelement eine Struktur hat, in welcher eine erste Keramikplatte, auf deren Oberfläche, welche der Kammer zugewandt ist, die Pumpelektrode und die Sensorelektrode angeordnet sind, eine zweite Keramikplatte, welche eine Öffnung hat, um die Kammer zu bilden, und eine dritte Keramikplatte, welche die Öffnung bedeckt, um die Kammer zu begrenzen, aufeinander gestapelt sind,
wobei die Kammer eine Wölbungsform hat, in welcher eine Oberfläche wenigstens einer der ersten Keramikplatte und der dritten Keramikplatte, welche eine Kammerwand bilden, von der Kammer nach innen an einer Position konvex ist, an der die Pumpzelle gebildet ist, wobei ein Wölbungsbetrag der Oberfläche in einem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger eingestellt ist, und
die Diffusionsschicht und die Kammer eine Beziehung von Hp<Have erfüllen, wobei Hp eine Höhe der Diffusionsschicht in einer Stapelrichtung ist und Have eine durchschnittliche Höhe der Kammer in einer Stapelrichtung an der Position ist, an der die Pumpzelle gebildet ist.

[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Da die Oberfläche wenigstens einer der zwei Keramikplatten, welche der Kammer zugewandt sind, welche in dem Gassensorelement vom Stapeltyp vorgesehen sind, und seine innere Oberfläche bilden, eine Wölbungsform hat, hat der In-Kammer-Raum solch eine Form, dass sie an der Pumpzellposition, welche an der stromaufwärtigen in der Gasströmungsrichtung platziert ist, eine schmale Form hat anders als auf der Eingangsseite. Demzufolge kann, da dort ein Gasstrom auftritt, welcher von dem Seitenendteil zu dem Pumpzellmittelteil gerichtet ist, ein Gasstrommischeffekt erlangt werden. Ferner kann, da die Höhe Hp der porösen Diffusionsschicht, durch welche Gas von der Außenseite eingeführt wird, niedriger eingestellt ist als die Kammerdurchschnittshöhe Have an der Pumpzellposition, die Menge des Gases, welche in den In-Kammer-Raum eingeführt wird, verringert werden, um dadurch das Gasdiffusionsvermögen an dem Kammereingangsteil zu erhöhen. Demzufolge ist es möglich, die Fähigkeit des Pumpens von Sauerstoff in Richtung der Ausgangsseite zu erhöhen, während eine ausreichende Menge des Messgases an der Eingangsseite der Pumpzelle angesogen wird.
Als ein Ergebnis wird, da die Häufigkeit, mit der das Abgas die Pumpelektrode berührt, signifikant zunimmt, um ein Entladen beziehungsweise Abführen von Sauerstoff durch die Pumpelektrode zu fördern, das Messgas weiter von dem Raum an dem Seitenendteil in die Pumpzelle gesogen. Demzufolge ist es möglich, effizient Sauerstoff zu entfernen, um die Sauerstoffkonzentration des Messgases, welches in die Sensorzelle eingeführt wird, ausreichend zu verringern. Zu dieser Zeit ist es, da der Wölbungsbetrag der Oberfläche, welche die Kammerwand bildet, in dem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger ist, möglich, ein Auftreten von Rissen in einem Sinter-/Enfettungs-Schritt und einem Plattenstapel-/Komprimier-Schritt zu verringern, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Demnach ist es gemäß dem oben beschriebenen Aspekt, da sowohl eine vorteilhafte Gasentladefähigkeit als auch ein vorteilhaftes Gasdiffusionsvermögen erreicht werden können, möglich, die Erfassungsgenauigkeit eines spezifischen Gases durch die Sensorzelle zu erhöhen und eine Ansprechempfindlichkeit sicherzustellen, um einen Hochleistungsfähigkeitsgassensor zu implementieren.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

1A ist ein Diagramm, welches eine distale Endstruktur eines Gassensorelements zeigt, welches einen Gassensor einer ersten Ausführungsform bildet, welches eine IA-IA-Linien-Querschnittsansicht der 1B ist;
1B ist ein schematisches Gesamtstrukturdiagramm des Gassensorelements, welches den Gassensor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;
2 ist ein Diagramm, welches eine planare Struktur des distalen Endteils des Gassensorelements zeigt, welche eine II-II-Linien-Querschnittsansicht der 1 ist;
3 ist eine longitudinale Querschnittsansicht, welche schematisch eine Kammerstruktur zeigt, welche ein Hauptteil des Gassensorelements ist;
4 ist eine transversale Querschnittsansicht, welche schematisch die Kammerstruktur zeigt, welche der Hauptteil des Gassensorelements ist;
5 ist eine longitudinale Querschnittsansicht, welche schematisch eine Kammerstruktur zeigt, welche ein Hauptteil eines Gassensorelements einer zweiten Ausführungsform ist;
6 ist eine transversale Querschnittsansicht, welche schematisch die Kammerstruktur zeigt, welche der Hauptteil des Gassensorelements der zweiten Ausführungsform ist;
7A ist ein schematisches transversales Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Gasstroms innerhalb einer Kammer;
7B ist ein schematisches longitudinales Querschnittsdiagramm zum Erklären des Gasstroms innerhalb der Kammer verglichen hinsichtlich der Kammerhöhe;
8 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Kammerverformungsbetrag und einer Sensorcharakteristik zeigt;
9 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären einer Beziehung zwischen der Sensorcharakteristik und einer Kammerform;
10 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches Beispiele der Kammerform in der longitudinalen und der transversalen Richtung zeigt;
11A ist ein Vorgang, welcher zum Erklären einen Vorgang des Bildens der Kammer des Gassensorelements zeichnet;
11B ist ein Vorgang, welcher zum Erklären den Vorgang des Bildens der Kammer des Gassensorelements zeichnet;
11C ist ein Vorgang, welcher zum Erklären den Vorgang des Bildens der Kammer des Gassensorelements zeichnet;
12A ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Anpassen der Kammerform des Gassensorelements;
12B ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines anderen Verfahrens zum Anpassen der Kammerform des Gassensorelements;
13 ist ein Diagramm, welches eine planare Struktur eines distalen Endteils eines Gassensorelements einer dritten Ausführungsform zeigt;
14 ist eine longitudinale Querschnittsansicht, welche schematisch eine Kammerstruktur zeigt, welche ein Hauptteil des Gassensorelements ist;
15 ist eine transversale Querschnittsansicht, welche schematisch die Kammerstruktur zeigt, welche der Hauptteil des Gassensorelements ist;
16 ist ein Plandiagramm, welches ein Beispiel der Form des Gassensorelements in praktischen Beispielen zeigt;
17A ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Auswerten eines Wölbungsbetrags in den praktischen Beispielen;
17B ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Spezifizieren der Position des Kammerendteils beim Auswerten des Wölbungsbetrags;
18 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Berechnen einer Kammerdurchschnittshöhe in den praktischen Beispielen;
19A ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Wölbungsbetrag und der Sauerstoffentladekapazität beziehungsweise Sauerstoffabführkapazität in den praktischen Beispielen zeigt;
19B ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären eines Rissunterdrückungseffekts abhängig von dem Wölbungsbetrag in den praktischen Beispielen; und
19C ist ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erklären einer Beziehung zwischen dem Wölbungsbetrag und einem Auftreten von Rissen in Vergleichsbeispielen.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform eines Gassensors wird im Detail in der Folge unter Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt. Beispielsweise ist der Gassensor dieser Ausführungsform als ein NO_x-Senor in einer Abgaspassage einer internen Verbrennungsmaschine installiert, um Stickoxid (nämlich NO_x) als eine spezifische Gaskomponente zu erfassen, welche in einem Abgas enthalten ist, und zwar als ein Messgas. 1B zeigt ein Gassensorelement 1, welches den Gassensor bildet. 1A zeigt einen Querschnitt des distalen Elementendteils (das heißt den am weitesten links gelegenen Endteil in der Zeichnung). Abgas wird in eine Kammer 2 eingeführt, welche ein Raum ist, welcher als ein Hauptteil in dem Element durch eine poröse Diffusionsschicht 21 vorgesehen ist. Wie in 2 gezeigt ist, ist innerhalb der Kammer 2 eine Pumpzelle 13 an der distalen Endseite (das heißt auf der linken Endseite in der Zeichnung) angeordnet, welches die stromaufwärtige Seite eines Gasstroms ist. Eine Sensorzelle 4 und eine Überwachungszelle 5 sind an der proximalen Endseite (das heißt an der rechten Endseite in der Zeichnung) angeordnet, welche die stromabwärtige Seite des Gasstroms ist.
Der Gassensor 1 hat eine Kammerstruktur, in welcher keine Unterteilung in der Kammer 2 ist. Die Diffusionsschicht 21 ist platziert, um die Öffnung an der stromaufwärtigen Seite der Kammer 2 an dem distalen Endteil in der longitudinalen Elementrichtung zu verschließen. Die Kammer 2 hat eine Form, um ein ausreichendes Gasdiffusionsvermögen zu erreichen, in welchem ein Teil der Innenoberfläche, welche die Kammerwand bildet, gewölbt ist, sodass die Kammerhöhe von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite des Gasstroms variiert, um dadurch die Sauerstoff(O₂)-Pumpfunktion der Pumpzelle 3 zu fördern. Jede von Zellen 3 bis 5 ist mit einem nicht gezeigten Elektrodenanschluss, welcher an dem proximalen Endteil gebildet ist, durch nicht gezeigte Zuleitungsdrähte verbunden. Beispiele der longitudinalen und transversalen Querschnittsformen der Kammer 2, welche schematisch in den 3 und 4 gezeigt sind, werden später im Detail beschrieben.
In 1A weist das Gassensorelement 1 einen gestapelten Körper auf, welcher aus langen und schmalen plattenähnlichen Keramikplatten gebildet ist, welche in der Plattendickenrichtung gestapelt sind. Genauer hat es eine Basisstruktur, in welcher auf der oberen Oberfläche einer Festkörperelektrolytplatte 11 als einer ersten Keramikplatte, eine Kammerbildungsplatte 12 als eine zweite Keramikplatte und eine Abschirmplatte 13 als eine dritte Keramikplatte in Nacheinanderfolge gestapelt sind. Die Kammerbildungsplatte 12 ist durchlocht gebildet mit einer rechteckigen Öffnung 22, welche die Kammer 2 bildet. An der unteren Oberfläche beziehungsweise Bodenoberfläche der Festkörperelektrolytplatte 11 ist eine Heizerschicht 6 durch eine Durchgangsbildungsschicht 14 als einer vierten Keramikplatte gestapelt. Die Durchgangsbildungsschicht 14 ist mit einem Durchgang 33 gebildet, welcher aus einer Öffnung besteht, welche zu einem nicht gezeigten proximalen Endteil führt, um Atmosphärenluft als ein Referenzgas von außerhalb einzuführen. Die Heizerschicht 6 hat eine Struktur, in welcher eine Heizerelektrode 61 in einer Heizerplatte 62 als einer fünften Keramikplatte eingebettet ist. Die ersten bis fünften Keramikplatten sind aus Isolierplatten gemacht, welche keine Permeabilität für das Messgas haben.
Das Gassensorelement 1 ist mit einer porösen Schicht als einer Einfangschicht 15 an seiner gesamten Außenoberfläche bedeckt. Die Einfangschicht 15 fängt Feuchtigkeit und giftige Bestandteile, welche in dem Abgas enthalten sind, ein, um zu verhindern, dass sie in die Kammer 2 eintreten, um dadurch das Gassensorelement 1 zu schützen. Im Übrigen sind die jeweiligen Zellen 3, 4 und 5 und die Heizerschicht 6 in dem Gassensorelement 1 mit einem Anschlussteil 7 (siehe beispielsweise 1B) durch nicht gezeigte Zuleitungsdrähte verbunden, welche mit einer externen Betriebssteuereinheit zu verbinden sind, welche ein Gaserfassungsmittel, ein Energieversorgungsmittel und so weiter aufweist. Die Heizerschicht 6 erzeugt Wärme durch ein mit-Leistung-Versorgt-werden, um die jeweiligen Zellen 3, 4 und 5 auf eine Temperatur, welche für eine Gaserfassung angemessen ist, zu erwärmen.
Die Pumpzelle 3 besteht aus der Festkörperelektrolytplatte 11, der Pumpelektrode 31 als einem Paar von Elektroden, welche an entgegengesetzten Positionen auf beiden Oberflächen der Festkörperelektrolytplatte 11 gebildet sind, und einer Referenzelektrode 32. Die Festkörperelektrolytplatte 11 ist eine Platte, welche aus einem Festkörperelektrolyten gefertigt ist, welcher eine Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit hat wie beispielsweise einem teilweise stabilisierten Zirkonoxid (Zirkonia). Poröse Cermet-Elektroden werden als die Pumpelektroden 31 und die Referenzelektrode 32 verwendet. Vorzugsweise ist die Pumpelektrode 31 eine Elektrode, welche in einer NO_x-Zersetzungsaktivität gering ist, beispielsweise eine poröse Cermet-Elektrode, welche Pt (Platin) und Au (Gold) enthält, um eine Zersetzung von NO_x, welches in dem Abgas enthalten ist, zu unterdrücken. Durch ein Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die gepaarten Elektroden wird O₂-Gas, welches in dem Abgas enthalten ist, welches die Pumpelektrode 31 erreicht, zersetzt, pflanzt sich durch die Festkörperelektrolytplatte 11 fort und wird zu der Referenzelektrode 32 abgeführt. Durch diese Pumptätigkeit ist es möglich, O₂-Gas von der Pumpelektrode 31, welche der Kammer 2 zugewandt ist, zu der Referenzelektrode 32, welche der Durchführung 33 zugewandt ist, abzuführen, um dadurch die O₂-Konzentration des Abgases, welches durch die Pumpzelle 3 hindurchtritt, zu verringern.
Die Sensorzelle 4 besteht aus der Festkörperelektrolytplatte 11, Sensorelektroden 41 als gepaarten Elektroden, welche an entgegengesetzten Positionen auf beiden Oberflächen der Festkörperelektrolytplatte 11 gebildet sind, und der Referenzelektrode 32. Die Überwachungszelle 4 besteht aus der Festkörperelektrolytplatte 11, Überwachungselektroden 51 als gepaarten Elektroden, welche an entgegengesetzten Positionen auf beiden Oberflächen der Festkörperelektrolytplatte 11 gebildet sind, und der Referenzelektrode 32. Vorzugsweise werden poröse Cermet-Elektroden, deren Hauptbestandteile Edelmetalle sind, als die Sensorelektroden 41 und die Überwachungselektroden 51 verwendet. Vorzugsweise ist die Sensorelektrode 41 eine Elektrode, welche hoch in der Zersetzungsaktivität für NO_x in dem Abgas ist, beispielsweise eine poröse Cermet-Elektrode, welche Pt und Rh (Rhodium) enthält, und die Überwachungselektrode 51 ist eine Elektrode, welche in der NO_x-Zersetzungsaktivität gering ist, beispielsweise eine poröse Cermet-Elektrode, welche Pt und Au enthält. Die Referenzelektrode 32 ist als eine gemeinsame Elektrode für die Pumpzelle 3, die Sensorzelle 4, die Überwachungszelle 5 auf der Oberfläche der Festkörperelektrolytplatte 11 entgegengesetzt der Oberfläche vorgesehen, welche die Kammer 2 begrenzt, um entgegengesetzt zu allen der Pumpelektroden 31, der Sensorelektrode 41 und der Überwachungselektrode 51 zu sein. Als die Referenzelektrode 32 wird beispielsweise eine poröse Cermet-Elektrode, deren Hauptbestandteil Pt ist, verwendet.
NOx-Gas in dem Abgas, welches die Sensorzelle 4 erreicht, wird auf der Sensorelektrode 41 zersetzt und auftretende Sauerstoff-Ionen pflanzen sich durch die Festkörperelektrolytplatte 11 fort und werden zu der Referenzelektrode 32 abgeführt. Ein Strom, welcher zu der Zeit fließt, wird als die Konzentration von NOx, welches in dem Abgas enthalten ist, erfasst. Andererseits wird in der Überwachungszelle 5 O₂-Gas, welches über der Überwachungselektrode 51 ankommt, zersetzt und zu der Referenzelektrode 32 abgeführt. Ein Strom, welcher zu der Zeit fließt, wird als die Konzentration von Restsauerstoff in dem Abgas erfasst. Die Überwachungszelle 5 ist an der Position äquivalent zu der Sensorzelle 4 in der Gasströmungsrichtung innerhalb der Kammer 2 platziert und demnach ist es möglich, effektiv die Pumpzelle 3 durch ein Überwachen der Restsauerstoffkonzentration zu regeln.
In 2 hat die Kammer 2 eine rechteckige Form, in welcher die Länge des Gassensorelements 1 in der longitudinalen Richtung (das heißt die Kammerlänge) länger ist als die Länge in der transversalen Länge (das heißt die Kammerbreite). Die Diffusionsschicht 21, welche aus einem porösen Körper gebildet ist, dessen Breite dieselbe ist wie die Kammerbreite, ist an dem Eingangsteil der Kammer 2 entlang der longitudinalen Richtung in einer vorbestimmten Dicke angeordnet, um den Eingangsteil zu queren, um ihn von dem äußeren Raum zu trennen, um das Abgas in das Innere bei einem vorbestimmten Diffusionswiderstand einzuführen. Innerhalb der Kammer 2 ist die Pumpelektrode 31, welche auf der stromaufwärtigen Seite des Gasstromes platziert ist, in einer ungefähr rechteckigen Form gebildet, deren Breite geringfügig kleiner ist als die Kammerbreite zwischen der Diffusionsschicht 21 und der Sensorelektrode 41 und der Überwachungselektrode 51, welche an dem stromabwärtigen Endteil platziert sind. Die Sensorelektrode 41 und die Überwachungselektrode 51 haben ungefähr dieselbe rechteckige Form, deren Breite geringfügig kleiner ist als eine Hälfte der Kammerbreite.
Die Pumpelektrode 3 hat eine ausreichend große Fläche verglichen zu der Sensorelektrode 41 und der Überwachungselektrode 51, um effektiv O₂-Gas in dem eingeführten Abgas abzuführen. Vorzugsweise ist die Länge in der Gasströmungsrichtung der Pumpelektrode 31 auf zwei bis viermal beispielsweise dreimal derjenigen der Sensorelektrode 41 und der Überwachungselektrode 51 eingestellt, um einen ausreichenden Kontakt mit dem Abgas zu ermöglichen. Um O₂-Gas in dem Abgas zuverlässig abzuführen, ist es zu bevorzugen, dass die Pumpelektrode 31 groß ist, andererseits jedoch wird, da es eine Zeit benötigt, dass O₂-Gas durch die Pumpzelle 31 hindurchtritt, die Ansprechempfindlichkeit erniedrigt. Ferner gibt es ein Bedenken, dass O2-Gas in dem Abgas hindurchtreten kann, ohne entlang des Seitenendteils der Kammer 2 entladen beziehungsweise abgeführt zu werden, wo die Pumpelektrode 31 nicht gebildet ist.
Demzufolge ist, wie in 1A gezeigt ist, ein Teil der Wandoberfläche der Kammer 2 in der Stapelrichtung des Gassensorelements verformt, um ein Steuern des Gasstroms innerhalb der Kammer 2 zu ermöglichen, und die Höhe der Diffusionsschicht 21, welche an dem Eingangsteil der Kammer 2 angeordnet ist, ist niedriger eingestellt als die Höhe der Wandoberfläche der Kammer 2, um eine Menge des Abgases, welche eingeführt wird, zu begrenzen. Insbesondere ist die Oberfläche wenigstens einer der Abschirmplatte 13 und der Festkörperelektrolytplatte 11, welche zueinander entgegengesetzt über die Kammer 2 sind, als eine gewölbte Oberfläche gefertigt, welche eine gewölbte Form hat, welche konvex in Richtung des Inneren der Kammer 2 an der Position ist, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist. Demzufolge wird, da die Höhe in der Stapelrichtung der Kammer 2 in der longitudinalen Richtung und der transversalen Richtung des Gassensorelements 1 variiert, das eingeführte Gas aufgrund der Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz vermischt und als ein Ergebnis wird ein Strom in Richtung der Pumpzelle erzeugt (siehe beispielsweise 2).
Der Wölbungsbetrag dieser gewölbten Oberfläche ist in einem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger eingestellt. Der Wölbungsbetrag repräsentiert eine Verformungsrate einer gewölbten Oberfläche hinsichtlich einer nicht gewölbten Referenzoberfläche. Hier wird der Wölbungsbetrag basierend auf maximalen Verformungsbeträgen in dem longitudinalen und transversalen Querschnitt des Gassensorelements 1 bestimmt. Wenn der Wölbungsbetrag geringer ist als 0,10 %, gibt es ein Bedenken, dass Risse auftreten können, während eines Sinter-/Entfettungs-Schritts eines Herstellungsvorgangs des Gassensorelements 1. Der Geschwindigkeitsunterschied nimmt mit der Zunahme des Wölbungsbetrages zu, es gibt jedoch ein Bedenken darin, dass Risse während eines Plattenstapel-/Komprimier-Schrittes auftreten können.
Die Diffusionsschicht 21 und die Kammer 2 erfüllen die Beziehung Hp<Have, wobei Hp die Höhe in der Stapelrichtung der Diffusionsschicht 21 ist, und Have die durchschnittliche Höhe in der Stapelrichtung der Kammer 2 an der Position ist, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist. Demzufolge wird das Abgas, welches durch die poröse Diffusionsschicht 21 hindurchgetreten ist, veranlasst, in den weiteren Innenraum der Kammer 2 zu diffundieren. Die durchschnittliche Höhe Have der Kammer 2 wird basierend auf dem gemittelten Wert von Kammerhöhen in dem longitudinalen Querschnitt des Gassensorelements 1 an einer Mehrzahl von Punkten von der Eingangsseite zu der Ausgangsseite der Pumpzelle 3 berechnet.
Die Diffusionsschicht 21 wird beispielsweise durch ein Einbetten einer porösen Platte in das distale Ende der Kammerbildungsplatte 12 gebildet, welche die Kammer 2 bildet. Die Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 ist niedriger als die Höhe der Kammerbildungsplatte 2 (das heißt die Plattendicke). Wie in der Zeichnung gezeigt ist, kann die Position der Diffusionsschicht 21 relativ zu der Kammerbildungsplatte 21, anders als eine Position, welche der Festkörperelektrolytplatte 11 zugewandt ist, entweder eine Position, welche der Abschirmplatte 13 zugewandt ist, oder eine Zwischenposition in der Stapelrichtung sein.
Vorzugsweise ist, wie schematisch in den 3 und 4 gezeigt ist, die Form derart, dass die Querschnittsfläche an dem stromabwärtigen Endteil der Pumpelektrode 31 (das heißt dem Gasausgangsteil) kleiner ist als an dem stromaufwärtigen Endteil (das heißt dem Gaseingangsteil), und zwar in der longitudinalen Richtung des Gassensorelements 1 oder der Gasstromrichtung und dass die Höhe an dem Zwischenteil, an dem die Pumpzelle 3 gebildet ist, insbesondere an der Position des Mittelteils der Pumpelektrode 31, niedriger ist als die Höhe wenigstens einer der Wandoberflächen des Seitenendteils in der transversalen Richtung. In dieser Ausführungsform ist die Abschirmplatte 13, welche auf der entgegengesetzten Seite der Pumpelektrode 31 platziert ist, und die Wand der Kammer 2 bildet, verformt. Die Oberfläche der Abschirmplatte 13, welche der Kammer 2 exponiert ist (das heißt die untere Oberfläche in 3) ist in einer gewölbten Form gefertigt, welche konvex in Richtung des Inneren der Kammer 2 ist.
Diese gewölbte Form ist vorzugsweise auf einer gewölbten Oberfläche einer winkelgekrümmten Form gebildet, welche glatt gekrümmt ist derart, dass die Verformung maximal, oder die Kammerhöhe niedrig an der stromabwärtigen Seite von dem Mittelteil der Pumpelektrode 31 wird. In dieser Ausführungsform nimmt die Höhe der Kammer 2 schrittweise von einem Eingangsteil a an der Eingangsseite in Richtung eines Ausgangsteils d auf der Ausgangsseite der Pumpelektrode 31 ab, sodass die Querschnittsfläche schrittweise abnimmt. Zwischen dem Eingangsteil a und dem Augangsteil d wird die Höhe der Kammer 2 an einem Zwischenteil c stromabwärts von dem Mittelteil der Pumpelektrode 31 niedriger als an einem Zwischenteil b an der stromaufwärtigen Seite. Die Höhe des Ausgangsteils d und die Höhe des Zwischenteils c stromaufwärts des Ausgangsteils d sind ungefähr gleich zueinander. Vorzugsweise erfüllen die Höhen der jeweiligen Teile entlang der longitudinalen Richtung die Beziehung von Eingangshöhe Ha>Hb>Hc≥Ausgangshöhe Hd. Die Höhe der Pumpelektrode 31 an der stromabwärtigen Seite e (das heißt an der Position, an der die Sensorelektrode 41 und die Überwachungselektrode 51 gebildet sind) ist geringfügig höher als diejenige an dem Ausgangsteil d. Die Höhe der Kammer 2 nimmt schrittweise von dem Ausgangsteil d, an welchem sie minimal ist, zu. Insbesondere kann sie zu der Höhe zwischen dem Eingangsteil a und dem Zwischenteil c an der stromabwärtigen Seite vergleichbar sein. Beispielsweise kann sie zu dem Zwischenteil b an der stromaufwärtigen Seite vergleichbar sein.
4, welche ein transversales Querschnittsdiagramm ist, zeigt spezifische Querschnittsformen, welche den jeweiligen Teilen a bis e der 3 entsprechen. Die Kammer 2 hat eine ungefähr rechteckige Querschnittsform an dem Eingangsteil a der Pumpelektrode 31. Die Abschirmplatte 13, welche die Kammerwand 2 auf der entgegengesetzten Seite der Pumpelektrode 31 bildet, hat eine geringfügige Verformung. Eine ausreichende Menge des Abgases wird in den Eingangsteil a durch die Diffusionsschicht 21 eingeführt. In den jeweiligen Teilen b bis e stromabwärts davon hat die Oberfläche der Abschirmplatte 13, welche zu der Kammer 2 exponiert ist, eine gekrümmte Form, welche in Richtung des Inneren der Kammer 2 konvex ist, hier eine winkelgekrümmte (chevron shaped) Form, welche derart gekrümmt ist, dass die Verformung maximal an dem Mittelteil wird, und der Mittelteilraum innerhalb der Kammer 2 schmal ist. Dieser Verformungsbetrag nimmt schrittweise in Richtung des Ausgangsteils d der Pumpelektrode 31 zu, sodass die Querschnittfläche schrittweise abnimmt. Der Verformungsbetrag der Pumpelektrode 31 an dem stromabwärtigen Teil e ist geringfügig größer als an dem Ausgangsteil d, während die Querschnittsfläche geringfügig größer ist.
Die Querschnittsformen der jeweiligen Teile b bis e sind derart, dass die Wandhöhe konstant ist und der Raum insgesamt in beiden Seitenendteilen breit ist, während in dem Zwischenteil die Höhe der Kammer 2 schrittweise in Richtung des Mittelteils der Pumpelektrode abnimmt und der Raum in Richtung des Mittelteils schmäler wird. Die Querschnittsflächen erfüllen die Beziehung von Eingangsteil a>b>c≥Ausgangsteil d. Die Querschnittsfläche auf der stromabwärtigen Seite E ist zwischen denjenigen des Eingangsteils a und des Zwischenteils c auf der stromabwärtigen Seite beispielsweise vergleichbar zu derjenigen des Zwischenteils b auf der stromaufwärtigen Seite. Da der Zwischenteil schmal ist, nimmt die O₂-Pumpkapazität zu und das Gasdiffusionsvermögen kann an beiden der Breitseitenendteile sichergestellt werden. Ferner wird, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen beiden Seitenendteilen und dem Mittelteil zunimmt, der Gasstrom vermischt, um eine effiziente Abführung von O₂ zu ermöglichen.
(Zweite Ausführungsform)
Wie als eine zweite Ausführungsform in den 5 und 6 gezeigt ist, können beide der Wandoberflächen der Kammer 2, welche entgegengesetzt zueinander in der Stapelrichtung des Gassensorelements 1 sind, verformt werden. In dieser Ausführungsform ist die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Höhe Have der Kammer 2 an der Position, wo die Pumpzelle 3 gebildet ist und der Form oder Anordnung der nicht gezeigten Diffusionsschicht 21 dieselbe wie diejenige in der ersten Ausführungsform und demzufolge wird die folgende Erklärung mit einem Fokus auf Unterschieden dazwischen gegeben. Insbesondere ist die Festkörperelektrolytplatte 11 mit der Abschirmplatte 13 und den Pumpelektroden 31 derart gebildet, dass die Oberfläche, welche zu der Kammer 2 exponiert ist, eine gewölbte Form hat, welche in Richtung des Inneren der Kammer 2 in der longitudinalen Richtung (siehe 5 beispielsweise) konvex ist, um eine winkelgekrümmte Form zu sein, in welcher die Höhe der Kammer stufenweise von dem Eingangsteil a in Richtung des Ausgangsteils d der Pumpelektrode 31 abnimmt und der Wölbungsbetrag an dem Gasausgangsteil maximal wird. Wie die erste Ausführungsform ist es zu bevorzugen, dass der Ausgangsteil d und die Höhe stromaufwärts davon in der Relation von Eingangshöhe Ha>Hb>Hc≥Ausgangshöhe Hd sind. Beispielsweise wird die Querschnittsfläche maximal an dem Gaseingangsteil und wird minimal an dem Gasausgangsteil der Pumpelektrode 31. Die Höhe an der stromabwärtigen Seite E (die Position, an der die Sensorelektrode 41 und die Überwachungselektrode 51 gebildet sind, kann vergleichbar zu der Höhe zwischen dem Eingangsteil a und dem Zwischenteil c an der stromabwärtigen Seite sein. Beispielsweise kann sie vergleichbar zu dem Zwischenteil b auf der stromaufwärtigen Seite sein.
Die transversalen Querschnitte der 6 entsprechen den Querschnitten der jeweiligen Teile a bis e der 5. Wie in der ersten Ausführungsform hat die Kammer 2 eine ungefähr rechteckige Querschnittsform an dem Eingangsteil a der Pumpelektrode 31 und die Abschirmplatte 13 und die Festkörperelektrolytplatte 11, welche die Wand der Kammer 2 ausmachen, haben eine kleine Verformung. In den jeweiligen Teilen a bis e stromabwärts davon haben die Oberflächen der Festkörperelektrolytplatte 11 und der Abschirmplatte, welche zu der Kammer 2 exponiert ist, eine gewölbte Form, welche konvex in Richtung des Inneren der Kammer 2 ist, hier eine winkelgekrümmte Form, welcher derart gekrümmt ist, dass die Verformung an dem Mittelteil maximal wird. Dieser Verformungsbetrag nimmt schrittweise in Richtung des Ausgangsteils d der Pumpelektrode 31 zu und demnach ist der Verformungsbetrag der Pumpelektrode 31 auf der stromabwärtigen Seite e geringfügig kleiner als auf der Ausgangsseite d. Die jeweiligen Teile b bis e haben eine Querschnittsform, in welcher der Verformungsbetrag klein ist verglichen zu dem Zwischenteil, die Wandhöhe ist konstant und der Raum ist insgesamt weit, der Raum ist eng in dem Zwischenteil und die Höhe der Kammer 2 nimmt schrittweise in Richtung des Mittelteils ab. Die Querschnittsflächen erfüllen die Beziehung von Eingangsteil a>b>c≥Ausgangsteil d. Die Querschnittsfläche auf der stromabwärtigen Seite e ist zwischen denjenigen des Eingangsteils a und des Zwischenteils c beispielsweise vergleichbar zu derjenigen des stromaufwärtigen Teils b.
Der Wölbungsbetrag und die gewölbte Oberfläche, welche zu der Kammer 2 exponiert ist, ist in einem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger in der Abschirmplatte 13 und der Festkörperelektrolytplatte 11 eingestellt. Die gewölbte Form und der Wölbungsbetrag jeder der Abschirmplatte 13 und der Festkörperelektrolytplatte 11 können angemessen eingestellt werden, solange die Beziehung der Höhe Hp in der Stapelrichtung der Diffusionsschicht 21<die durchschnittliche Höhe Have in der Stapelrichtung der Kammer 2 an der Position, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist, erfüllt ist, um eine erwünschte Eigenschaft zu erhalten.
Wie obenstehend beschrieben ist, ermöglicht die Form der Kammer 2 in der ersten oder zweiten Ausführungsform ein Gasansaugen sowohl wie im Stand der Technik durch ein angemessenes Einstellen der Durchschnittshöhe Have an der Position, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist, hinsichtlich der Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 und ein Veranlassen einer oder beider der entgegengesetzten Oberflächen in der Stapelrichtung, eine Querschnittsfläche auf dem Eingangsseitenendteil der Pumpelektrode 31 sicherzustellen. Zusätzlich wird, da der Verformungsbetrag der Wandoberfläche zunimmt und die Querschnittsfläche von der Eingangsseite in Richtung des Ausgangsseitenendteils abnimmt, O2, welches durch die Pumpelektrode 31 abgeführt wird, gefördert, um die Pumpkapazität zu erhöhen. Ferner tritt, da die Querschnittsform derart ist, dass sie enger an dem Zwischenteil und breiter an beiden Seitenendteilen an der stromabwärtigen Seite des Eingangsseitenendteils ist, eine Geschwindigkeitsdifferenz in dem Strom des Gases auf, welches von der Eingangsseite eingeführt wird, wie in 2 gezeigt ist, wird der Gasstrom an den Seitenendteilen vermischt, während das Gasdiffusionsvermögen durch die Geschwindigkeitsdifferenz mit dem Mittelteil zunimmt. Als ein Ergebnis kann O₂, welches durch die Pumpelektrode 31 abgeführt wird, ferner gefördert werden, während das Ansprechverhalten beziehungsweise die Ansprechempfindlichkeit sichergestellt wird. Die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 erklärt.
7A zeigt schematisch eine typische Form in der transversalen Richtung der Kammer 2 der zweiten Ausführungsform, wo das Volumen des Mittelteils, an welchem der Abstand der entgegengesetzten Wandoberfläche innerhalb der Kammer 2 minimal wird, V1 ist, und das Volumen des Seitenendteils, an welchem der Abstand maximal wird, V2 ist. Wenn ein Differenzialdruck zwischen dem Mittelteil und dem Seitenendteil ΔP ist, ist eine Gasströmungsrate Q durch den folgenden allgemeinen Ausdruck gegeben.
Der allgemeine Ausdruck der Gasströmungsrate Q=C×Δp, wobei C ein Koeffizient ist, welcher ein Gasströmungsvermögen repräsentiert.
Hier,
aus der Gaszustandsgleichung PV=nRT, $Differenzialdruck Δ P = P 1 - P 2 = nRT \times (1 /V 1 - 1 /V 2) = nRT \times {(V 2 - V 1) / V 1 \cdot V 2},$
wobei P1: Druck des Mittelteils, P2: Druck des Seitenendteils, R: Gaskonstante und T: Temperatur.
Demzufolge nimmt die Strömungsrate Q des Gases in Proportion zu dem Differenzialdruck Δp zu, und das Gas strömt leicht mit der Zunahme der Differenz im Volumen im zwischen dem Seitenendteil und dem Mittelteil.
7A, welche schematisch eine Beziehung zwischen der Höhe in der longitudinalen Richtung der Kammer 2 und dem Gasstrom zeigt, und einen Fall, in dem die Kammerhöhe höher ist (das heißt die linke Figur) mit einem Fall vergleicht, in dem sie niedriger ist (das heißt die rechte Figur). Wenn die Kammerhöhe in der longitudinalen Richtung konstant ist, bewegen sich, wenn das Abgas in die Kammer 2 von der Eingangsseite auf der linken Seite der Figur eingeführt wird, Gasmoleküle, welche O₂ aufweisen, zu der stromabwärtigen Seite, während sie die Wandoberflächen der Kammer 2 treffen. Wie aus den Figuren offensichtlich ist, ist der Fall, in dem die Kammerhöhe niedriger ist (das heißt die rechte Figur) in der O₂-Abführkapazität überlegen, da die Kollisionshäufigkeit der Gasmoleküle höher ist und demzufolge O₂-Moleküle in dem Abgas leichter mit der Oberfläche der Pumpelektrode 31 kollidieren, um entfernt zu werden. Wenn jedoch die Höhe an der Eingangsseite erniedrigt wird, wird, da eine Menge des Gases, welches in die Kammer 2 gesogen wird, abnimmt, die Erfassungsgenauigkeit von NO_x verringert. Andererseits kann in dem Fall, in dem die Kammerhöhe höher ist (das heißt die linke Zeichnung), obwohl die O₂-Abführkapazität erniedrigt wird, erwartet werden, dass die Erfassungsgenauigkeit zunimmt, da die Gaseinströmungsrate zunimmt.
Demzufolge ist in der vorliegenden Erfindung wie in den 4 und 6 gezeigt ist die Kammerhöhe (das heißt die Querschnittsfläche) auf der Eingangsseite der Pumpelektrode 31 ausreichend groß, um einen Gasströmungsbetrag sicherzustellen, und wird schrittweise verringert, sodass die O₂-Abführkapazität in Richtung der Ausgangsseite zunimmt. Ferner ist die Kammerhöhe an dem Zwischenteil niedriger eingestellt, wo die Pumpelektrode 31 gebildet ist, insbesondere an dem Mittelteil, um einen großen Raum an beiden Seitenendteilen sicherzustellen, um dadurch das Gasdiffusionsvermögen zu erhöhen und die Ansprechempfindlichkeit zu erhöhen. Die verformte Wandoberfläche stört den Gasstrom nicht, da sie eine glatt gekrümmte Form hat. Da der Gasstrom aufgrund der Zunahme in einer Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Mittelteil, wo die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, und dem Seitenendteil vermischt wird, die Kollisionshäufigkeit zwischen dem Gas und der Pumpelektrode 31 zunimmt und das Umgebungsgas ferner durch O2-Entladung angesogen wird, es ist möglich, O₂ effizient zu entfernen. Vorzugsweise ist die Kammer 2 derart geformt, dass die Kammerhöhe an der stromabwärtigen Seite des Mittelteils der Pumpelektrode 31 minimal ist, und mehr zu bevorzugen an dem Seitenendteil auf der Ausgangsseite oder in seiner Nähe, sodass der Raum in der Gasströmungsrichtung schrittweise schmäler wird, und die O₂-Pumpkapazität als ein Ergebnis davon, wie die O₂-Konzentration ungefähr 0 gemacht werden kann, während es durch die Pumpzelle hindurchtritt, zunimmt. An der stromabwärtigen Seite der Ausgangsseite der Pumpelektrode 31 ist die Kammerhöhe (das heißt die Querschnittsfläche) wiederum größer gemacht, um das Gasdiffusionsvermögen zu erhöhen, und als ein Ergebnis kann das Abgas, von welchem O₂ abgeführt wurde, schnell in die Sensorzelle 4 eingeführt werden, um eine genaue Erfassung mit einer hohen Ansprechempfindlichkeit zu erreichen.
Wie obenstehend beschrieben ist, können, da die Form der Keramikplattenoberfläche, welche die Innenwandoberfläche der Kammer 2 bildet und die Beziehung zwischen der Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 und der durchschnittlichen Höhe Have der Kammer 2 abhängig von der Position spezifiziert sind, wo die Pumpelektrode 31 gebildet ist, sowohl die Ansprechempfindlichkeit als auch die Erfassungsgenauigkeit erreicht werden. 8 zeigt eine Beziehung zwischen der Sensorcharakteristik durch das Gassensorelement 1 der vorliegenden Erfindung und einem Verformungsbetrag (das heißt einem Wölbungsbetrag) der Wandoberfläche der Kammer 2, in welcher die Gasabführmenge in Proportion mit der Zunahme des Wölbungsbetrages zunimmt und die Gasansprechempfindlichkeit ungefähr konstant ist. Beispielsweise repräsentiert der Wölbungsbetrag für die Form der Kammer 2 der zweiten Ausführungsform, welche in 9 gezeigt ist, die Größe der gewölbten Form der Oberfläche von beiden der Wandoberflächen, welche verformt werden, um sich einander anzunähern, und entspricht der Höhe Hm der gewölbten Oberfläche des Mittelteils, dessen Höhe minimal H2 ist, wohingegen die Höhe von beiden Endteilen H2 ist. Wie aus der Beziehung der 8 gesehen wird, nimmt die Gasentladeeffizienz mit der Zunahme des Verformungsbetrages der Kammer 2 zu. Wenn jedoch der Verformungsbetrag der Kammer 2 groß ist, ist es wahrscheinlich, dass ein Fehler während des Formens auftritt. Demzufolge werden vorzugsweise die gewölbte Form und der Verformungsbetrag angemessen innerhalb eines vorbestimmten Wölbungsbetragsbereichs eingestellt, in welchem eine zufriedenstellende Formbarkeit sichergestellt sein kann, um eine zufriedenstellende Gasabführeffizienz beziehungsweise Gasentladeeffizienz und Gasansprechempfindlichkeit zu erlangen.
Beispielsweise wird in der Form der Kammer 2 der 9 die Sensorcharakteristik durch die Höhe der Kammer 2 (das heißt die Höhe H1 von beiden Endteilen und die Höhe H2 des Mittelteils) spezifiziert. Demzufolge kann durch ein Einstellen der Höhe von beiden Endteilen zum Sicherstellen einer erwünschten Gasansprechempfindlichkeit und ein Einstellen der Höhe H2 des Mittelteils von dem oberen Grenzwert des Verformungsbetrages die Gasentladeeffizienz optimiert werden. Alternativ kann die Höhe Hm der gewölbten Oberfläche der entgegengesetzten Oberflächen durch ein Berechnen einer Höhendifferenz ΔH (das heißt der Differenz zwischen der Höhe H1 von beiden Endteilen und der Höhe H2 des Mittelteils) von der Höhe H2 des Mittelteils zum Erlangen einer erwünschten Gasendladeeffizienz eingestellt werden. Die zwei Wandoberflächen können denselben Wölbungsbetrag haben. Durch ein Einstellen der Wandoberfläche jedoch, welche mit der Pumpelektrode 31 gebildet ist, kleiner, ist es möglich, eine Verformung der Pumpelektrode 31 zu unterdrücken. Ferner ist es in einem Fall, in dem die Wandoberfläche, welche mit der Pumpelektrode 31 gebildet ist, flach ist, und nur die entgegengesetzte Oberfläche eine gewölbte Form hat wie die Form der Kammer 2 der ersten Ausführungsform, welche in 10 (a) gezeigt ist, leicht, die Kammer 2 zu bilden, da die Pumpelektrode 31 weniger betroffen ist.
Die 10 (b) und 10 (g) zeigen ein anderes Beispiel der Form der Kammer 2. In der vorliegenden Erfindung ist eine Form der gewölbten Oberfläche nicht auf die Form der obigen Ausführungsformen beschränkt, solange die Kammerdurchschnittshöhe und der Wölbungsbetrag innerhalb der spezifizierten Bereiche sind. Vorzugsweise ist, um die obigen Wirkungen zu erhöhen, die Querschnittsfläche auf der Ausgangsseite kleiner als an der Eingangsseite der Pumpelektrode 31 in der longitudinalen Richtung und die Höhe ist an der Zwischenteil, an dem die Pumpelektrode 31 gebildet ist, in der transversalen Richtung niedriger als an dem Seitenendteil. Ferner ist für die gewölbte Form der Wandoberfläche der Kammer 2, solange eine Oberfläche eine gewölbte Form hat, welche konvex in Richtung des Inneren der Kammer 2 ist, die andere Oberfläche nicht darauf beschränkt. Die Wandoberfläche, an der die Pumpelektrode 31 gebildet ist, kann eine Form sein, welche sich in Richtung der Außenseite der Kammer 2, wie in 10 (b) gezeigt ist, in der longitudinalen und der transversalen Richtung wölbt. In diesem Fall ist sie in der longitudinalen oder transversalen Richtung folgend der Verformung der Wandoberfläche entgegengesetzt der Pumpelektrode 31 leicht verformt. Wie in 10 (c) gezeigt ist, kann die Wandoberfläche der Kammer 2 eine gewölbte Kurvenverlaufsform haben, welche konkave und konvexe Abschnitte hat.
Die verformte Wandoberfläche der Kammer 2 muss nicht notwendigerweise eine glatt gekrümmte Form haben. Es kann eine gewölbte Oberfläche sein, welche eine Steigung von ungefähr einem V-Querschnitt hat, wie in den 10 (d) und 10 (e) gezeigt ist. In diesem Fall muss die Position, an welcher die Höhe in der longitudinalen Richtung minimal ist (das heißt die V-Formposition des Scheitelpunktes) an dem Ausgangsseitenendteil der Pumpelektrode 31 (10 (e)) oder dem Ausgangsseitenendteil in seiner Nachbarschaft (10 (d)) sein, und die Höhe in der transversalen Richtung muss an der Mitte der Pumpelektrode 31 minimal sein (10 (e)) oder dem Mittelteil in seiner Nachbarschaft (10 (d)). Wie in der Zeichnung in der longitudinalen Richtung der 10 (f) gezeigt ist, kann die Höhe der Kammer 2 stromabwärts der Ausgangsposition der Pumpelektrode 31 konstant gefertigt sein. Hier hat die gewölbte Form der stromaufwärtigen Seite eine glatt gekrümmte Oberfläche. Sie kann jedoch eine geneigte Oberfläche haben, wie in den 10 d oder 10 (e) gezeigt ist. Ähnlich kann, wie in der Zeichnung in der transversalen Richtung der 10 (f) gezeigt ist, wenn die Höhe wenigstens eines der Seitenendteile der Kammer 2 ausreichend höher ist als die Höhe des Zwischenteils, wo die Pumpelektrode 31 gebildet ist, die Höhe des anderen Seitenendteils vergleichbar zu der Höhe des Zwischenteils sein. 10 (g) zeigt ein Beispiel, in welchem beide Wandoberflächen der Kammer 2 als gekrümmte Oberfläche wie in der zweiten Ausführungsform gefertigt sind, wobei der Wölbungsbetrag geändert ist. Hier ist der Wölbungsbetrag der Wandoberfläche wo die Pumpelektrode 31 gebildet ist kleiner eingestellt. Für die 10 (a) bis 10 (g) können die Kammerformen in der longitudinalen Richtung und der transversalen Richtung miteinander beliebig kombiniert werden.
11 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsvorgangs des Gassensors 1, welcher die Form der Kammer 2 der vorliegenden Erfindung hat. In 11A werden ungesinterte Keramikplatten zum Herstellen der Festkörperelektrolytplatte 11, der Kammerbildungsplatte 12 und der Abschirmplatte 13 in Schritt (1) jeweils zuerst geformt. Als Nächstes wird in Schritt (2) eine Paste an einer vorbestimmten Position auf die Oberfläche der Festkörperelektrolytplatte 11 gedruckt, wo die Pumpelektrode 31, die Sensorelektrode 41 und die Überwachungselektrode 51 gefertigt werden sollten. Ferner wird eine nicht gezeigte Paste zum Fertigen von Leitungen zur Verbindung mit nicht gezeigten Elektrodenanschlüssen durch Drucken gebildet. In Schritt (3) wird die Kammerbildungsplatte 12 an einer vorbestimmten Position gelocht, um die Öffnung 22 zu bilden, welche die Kammer 2 bildet. Ferner wird in Schritt (4) eine brennbare Materialplatte 16 in die Öffnung 22 der Kammerbildungsplatte 12 eingeführt.
Die Festkörperelektrolytplatte 11 ist beispielsweise eine gemischte Platte von Zirkonia beziehungsweise Zirkonoxid und organischem Material. Die Kammerbildungsplatte 12 und die Abschirmplatte 13 sind beispielsweise aus einer gemischten Platte von Aluminiumoxid und organischem Material gefertigt. Die brennbare Materialplatte 16 ist eine Solo-Platte beziehungsweise einzelne Platte oder eine gemischte Platte, welche aus organischem Material besteht, dessen Zersetzungstemperatur niedriger oder gleich 1000 °Celsius ist. Beispielsweise weist sie ein brennbares Material wie beispielsweise Acrylharz, PVB, Fluoridharz oder Kohlenstoff auf, sodass die Zersetzungstemperatur niedriger wird als oder gleich 1000 °Celsius. Die Form der Kammer 2 kann durch ein Anpassen der Zusammensetzung, Dicke oder Form der brennbaren Materialplatte 16 angepasst werden.
In 11B zeigt Schritt (4)-1 ein spezifisches Beispiel eines Verfahrens zum Einführen der brennbaren Materialplatte 16, in welcher die brennbare Materialplatte 16 auf die Kammerbildungsplatte 12 geschichtet wird, von oben unter Verwendung einer Lochform gelocht wird, welche eine Form hat, welche der Kammer 12 entspricht, und zu derselben Zeit wird die brennbare Materialplatte 16 in das ausgestanzte Loch der Kammerbildungsplatte 12 eingeführt. Alternativ ist es, wie in Schritt (4)-2 gezeigt ist, möglich, dass die Kammerbildungsplatte 12, welche im Voraus in einer vorbestimmten Form gebildet wird, auf einer Adsorptionsplatte platziert wird, sodass die brennbare Materialplatte 16, welche in der vorbestimmten Form gebildet ist, per Roboter zugeführt und eingeführt werden kann. Danach wird in Schritt (5)-1 die Festkörperelektrolytplatte 11 mit der Kammerbildungsplatte 12 und der Abschirmplatte 13 auf ihrer oberen Oberfläche in dieser Reihenfolge gestapelt, wobei ferner ein Formtrennfilm 17 nach oben und nach unten gestapelt wird und dann in eine Form gegeben wird.
Dieser gestapelte Körper wird mit einer Last (15-50 MPa beispielsweise) beaufschlagt und bei einer Temperatur (beispielsweise 60-80 °C) zusammengedrückt. Wie als Schritt (4)-3 in 11C gezeigt ist, kann es möglich sein, dass die Festkörperelektrolytplatte 11 mit einer Paste welche aus einem brennbaren Material gefertigt ist, an einer vorbestimmten Position auf ihrer oberen Oberfläche bedruckt oder beschichtet wird, mit der Kammerbildungsplatte 12, welche im Vorab in einer vorbestimmten Form gelocht wird, und der Abschirmplatte 13 in dieser Reihenfolge geschichtet wird, und dann in einer Form angeordnet wird, um es möglich zu machen, ein Einbetten und eine Kompression des brennbaren Materials durchzuführen. Danach wird in Schritt (5)-2 ein zusammengedrückter Körper aus der Durchgangsbildungsplatte 14 und der Heizerschicht 6, welche durch ein bekanntes Verfahren hergestellt sind, gestapelt und zusammengefügt und dann gesintert, um das Gassensorelement 1 zu fertigen.
Die Form der Kammer 2 des erhaltenen Gassensorelements 1 kann durch die Plattendicke des brennbaren Materials, welches in der Kammer 2 vor Schritt (5)-1 angeordnet wird, gesteuert werden. Beispielsweise zeigt die linke Zeichnung der 12A schematisch einen Fall, in dem eine Wandoberfläche der Kammer 2 (das heißt die obere Oberfläche in der Zeichnung) eine gewölbte Form hat, in welcher eine Platte aus organischem Material, deren Hauptbestandteil Harz oder Kohlenstoff ist, als das brennbare Element verwendet wird, dessen Dicke in Übereinstimmung mit dem Wölbungsbetrag im Voraus angepasst wird. Zu der Zeit des Formpressens ist das brennbare Material ausschließlich des oberen Endteils der Kammer 2 eingehaust und wird durch ein Anlegen einer Last von oben niedergedrückt, um die Wandoberfläche, welche dem Raum der Kammer 2 zugewandt ist, zu krümmen. Zu dieser Zeit kann, da der Verformungsbetrag an dem Eckteil der Kammer 2 gering ist, eine gewölbte Form wie in der ersten Ausführungsform beschrieben relativ leicht gebildet werden durch ein angemessenes Anpassen der Dicke des brennbaren Materials relativ zu dem Abstand A zwischen beiden Endteilen. Durch ein Sintern desselben kann eine hohle Form der Kammer 2, welche einen erwünschten Wölbungsbetrag B hat, gefertigt werden, wie in der rechten Zeichnung der 12A gezeigt ist.
Um nur eine Wandoberfläche zu verformen, um nach innen konvex zu sein wie die Form der Kammer 2 der 12A, ist es möglich einzusetzen 1: ein Einführen eines Gummifilms zwischen einer Platte, welche zu verformen ist und dem Formtrennfilm 17; 2: ein Veranlassen, dass der Formtrennfilm 17 auf der Seite einer Platte, welche zu verformen ist, dick ist und ein Herstellen des Formtrennfilms 17 auf der entgegengesetzten Seite dünn; und 3: ein Hartmachen des Formtrennfilms 17 auf der entgegengesetzten Seite einer Platte, welche zu verformen ist, durch ein Vorpressen. Ferner ist es möglich, die Kammer 2 in einer Form zu fertigen, in welcher beide der Wandoberflächen nach innen konvex sind, wie in der zweiten Ausführungsform, und zwar durch ein Pressen von beiden Seiten, wobei ein Raum an beiden Seiten des brennbaren Materials, welches in der Kammer 2 eingehaust ist, übrig ist.
Alternativ kann, wie in 12B gezeigt ist, die brennbare Materialplatte 16 mit einer erwünschten gewölbten Form an ihrer Oberfläche vor Schritt (5)-1 vorgesehen sein. In der Zeichnung ist eine ungesinterte Keramikplatte 13 zum Fertigen der Abschirmplatte 13 über der Oberfläche, welche mit Elektrodenpaste der Festkörperelektrolytplatte 11 zu beschichten ist (das heißt die obere Oberfläche in der Zeichnung), angeordnet, und die Kammerbildungsplatte 12, welche die brennbare Materialplatte 16 aufweist, deren Hauptbestandteil Harz oder Kohlenstoff ist, ist zwischen diesen angeordnet. Zu dieser Zeit können durch ein Niederdrücken der oberen und unteren Oberflächen der brennbaren Materialplatte 16 in einer Mörtelform und ein Verformen der Oberflächen der Abschirmplatte 13 und der Festkörperelektrolytplatte 11, welche in Kontakt mit diesen Oberflächen sind, beide der Wandoberflächen der Kammer 2 in einer vorbestimmten Form entsprechend der Form der brennbaren Materialplatte 16 gebildet werden. Es ist eine Selbstverständlichkeit, dass nur eine Seite der brennbaren Materialplatte 16 niedergedrückt werden kann, um nur eine entsprechende Oberfläche zu verformen.
(Dritte Ausführungsform)
Wie als eine dritte Ausführungsform in den 13 bis 15 gezeigt ist, ist es möglich, dass zusätzlich zu der Wandoberfläche entgegengesetzt dem Gassensorelement 1 in der Stapelrichtung wenigstens eine der inneren Oberflächen der Öffnung 22 der Kammerbildungsplatte 12, welche die Wandoberfläche entgegengesetzt dem Gassensorelement bildet, in der transversalen Richtung in einer gewölbten Form gebildet werden kann. Die gewölbte Form der Abschirmplatte 13, welche die Kammerwand ausmacht, die Form und Anordnung der Diffusionsschicht 21 und die Beziehung zwischen der Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 und der durchschnittlichen Höhe Have, wenn die Kammer 2 an der Position, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist, sind in dieser Ausführungsform dieselben wie diejenigen in der ersten Ausführungsform. Im Folgenden ist eine Erklärung mit einem Fokus auf Unterschieden zu der ersten Ausführungsform gegeben.
Insbesondere ist, wie in den 13 und 14 gezeigt ist, die Kammerbildungsplatte 12 mit der ungefähr rechteckigen Öffnung 22 in dem longitudinalen Querschnitt gebildet, und von den inneren Oberflächen, welche zu der Kammer 2 exponiert sind, sind beide des Paars der inneren Oberflächen, welche sich in der longitudinalen Richtung erstrecken, in einer gewölbten Oberfläche gebildet, welche ein Winkel-Form (chevron forrm) hat, welche von der Kammer 2 nach innen konvex ist. Durch diese gewölbten Oberflächen nimmt die Breite der Kammer 2 schrittweise von dem Eingangsteil a in Richtung des Ausgangsteils d der Pumpelektrode 31 an der Position, wo die Pumpzelle 3 gebildet ist, ab, und vorzugsweise wird der Wölbungsbetrag an einer stromabwärtigen Seite des Mittelteils der Pumpelektrode 31 maximal. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, dass die Kammerbreiten Wa bis We an den jeweiligen Teilen a bis e innerhalb der Kammer 2 die Beziehung von Eingangsbreite Wa>Wb>Wc≥Ausgangsbreite Wd erfüllen. Wie die erste Ausführungsform sind die Kammerhöhen Ha bis He, welche von der gewölbten Oberfläche der Abschirmplatte 13 abhängen, in der Relation beziehungsweise Beziehung von Eingangshöhe Ha>Hb>Hc≥Ausgangshöhe Hd.
Wie in 15 gezeigt ist, wird die Fläche des transversalen Querschnitts der Kammer 2 stromabwärts des Mittelteils der Pumpelektrode 31 minimal. Die Kammer hat eine gewölbte Form, in welcher die Oberfläche der Abschirmplatte 13, welche die obere Wand ausmacht, und das Paar der Oberflächen der Kammerbildungsplatte 12, welches die Seitenwände ausmacht, nach innen von der Kammer 2 konvex sind, und jede von diesen in einer Winkel-Form gebildet ist, welche nach innen von der Kammer 2 konvex ist, in welcher der Wölbungsbetrag am Mittelteil maximal wird. In dem nicht gezeigten Eingangsteil a hat, wie in der ersten Ausführungsform die Kammer 2 eine ungefähr rechteckige Querschnittsform, in welcher die Querschnittsfläche schrittweise in Richtung der stromabwärtigen Seite zunimmt.
Wie durch die Pfeile in 13 gezeigt ist, bildet das Gas, welches in die Kammer 2 eingeführt wird, einen Strom, welcher zu dem Mittelteil der Pumpzelle 3 entlang der gekrümmten Form des Paars der Oberflächen der Kammerbildungsplatte 12, welche in die Kammer 2 hineinstehen, zusteuert. Ferner bildet er einen Strom, welcher auf die Pumpelektrode 31 auf der Festkörperelektrolytplatte 11 entlang der gewölbten Form der Oberfläche der Abschirmplatte 13 zusteuert. Demzufolge kann die O₂-Abführkapazität der Pumpelektrode 31 ferner erhöht werden. Die Kammer 2 weist einen Raum an ihren vier Ecken in der transversalen Richtung auf und demzufolge ist das Gasdiffusionsvermögen sichergestellt.
Der Wölbungsbetrag der Oberfläche der Kammerbildungsplatte 12 kann willkürlich eingestellt werden. Normalerweise kann, wenn der Wölbungsbetrag größer ist als oder gleich 0,10 % der Gasstrommischungseffekt erhalten werden. Vorzugsweise ist der maximale Wert des Wölbungsbetrages derart eingestellt, dass die gewölbte Oberfläche nicht nach innen von der Kammer 2 über den Umfangsrandteil der Pumpelektrode 31 hervorsteht. Der maximale Wert dieses Wölbungsbetrages hängt von der Form der Kammer 2 oder der Anordnung der Pumpelektrode 31 ab. Beispielsweise ist, wenn die Länge der Kammer 2 14 mm ist und der Spalt zwischen der Seitenwand der Kammer 2 und dem Umfangsrandteil der Pumpelektrode 31 160 µm ist, der Maximalwert des Wölbungsbetrages 1,2 %.
Wie obenstehend beschrieben ist, ist es gemäß der Form der Kammer 2 der dritten Ausführungsform möglich, die O₂-Abfuhr durch die Pumpelektrode 31 weiter zu fördern durch ein Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz des Gasstroms, während die Ansprechempfindlichkeit sichergestellt wird. Ferner kann die gewölbte Form der Oberfläche der Kammerbildungsplatte 12 mit der Form der Kammer 2 der zweiten Ausführungsform kombiniert werden.
[Beispiele]
Um die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurde das Gassensorelement 1, welches die Form der 16 oder 17 hat, hergestellt, während die Höhe Hp der Diffusionsschicht 21, die Form der Kammer 2 und die Form der Pumpzelle 3 geändert wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens als Testelemente und hinsichtlich der Sensorcharakteristiken überprüft (praktische Beispiele 1 bis 6). Ferner wurden Testelemente, deren Kammerform oder gewölbte Form außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung ist, zum Vergleichszweck (Vergleichsbeispiele 1 bis 5) hergestellt. Wie in der Tabelle in 16 gezeigt ist, ist die transversale Länge Ader Sensorelektrode 41 der Sensorzelle 4: 1 mm, die longitudinale Länge B: 2 mm, die transversale Länge C der Kammer 2: 2,4 mm, die transversale Länge E der Pumpelektrode 31 der Pumpzelle 3: 2,1 mm gemeinsam zu all den praktischen Beispielen und all den Vergleichsbeispielen. Für praktische Beispiele 1 und 6 und die Vergleichsbeispiele 1 und 3 bis 5 wurde die longitudinale Länge D der Kammer 2 auf 9 mm eingestellt und die longitudinale Länge B der Kammer 2 wurde auf 6,5 mm eingestellt. Im Vergleichsbeispiel 2 wurde die longitudinale Länge D der Kammer 2 länger auf 14 mm eingestellt und die longitudinale Länge F der Pumpelektrode 31 der Pumpzelle 3 wurde länger auf 11 mm eingestellt.
Wie in 17A und 17 B gezeigt ist, sind die Testelemente der praktischen Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 und 3 bis 5 in einer gewölbten Form gebildet, in welcher die Festkörperelektrolytplatte 11, welche die untere Wandoberfläche der Kammer 2 ausmacht, durch ein Anwenden einer Last von außerhalb ausgespart, um gekrümmt und verformt nach oben zu sein, und die Oberfläche, an der die Pumpelektrode 31 und die Sensorelektrode 41 gebildet sind, ist gekrümmt, um zum Inneren der Kammer 2 gekrümmt zu sein, das heißt zu der Abschirmplatte 13. Vergleichsbeispiele 1 und 2 haben eine gewölbte Form, in welcher die Festkörperelektrolytplatte 11 sich zu der Außenseite der Kammer 2 ausdehnt. Tabelle 1 zeigt Ergebnisse von Messungen des Wölbungsbetrags dieser praktischen Beispiele und der Vergleichsbeispiele.
Die Auswertung des Wölbungsbetrags wurde in der folgenden Art und Weise durchgeführt. Wie in 17A gezeigt ist, wurde jeder erhaltene gesinterte Elementkörper vertikal geschnitten oder poliert hinsichtlich der longitudinalen Richtung und der transversalen Richtung, um einen Kammerquerschnitt zu bilden. Ein maximaler Verformungsbetrag wurde durch ein Verbinden zwischen den Kammerendteilen durch eine gerade Linie durch eine Bildbeobachtung für diesen Kammerquerschnitt gemessen. Ferner wurden die Verformungsbeträge in der longitudinalen Richtung und der transversalen Richtung der Kammer 2 in Wölbungsbeträge (%) jeweils umgewandelt, und ein größerer einer von diesen wurde als ein Wölbungsbetrag durch ein Vergleichen derselben bestimmt. $\begin{array}{l} Der W \ddot{o} lbungsbetrag (%) = 100 \times [Kammerve rformungsbetrag (μ m) /Kammerend- \\ teil-Endteilabstand (μ m)] \end{array}$
Die Kammerendteilposition wurde wie in 17B gezeigt definiert. Das heißt, dass drei Punkte willkürlich in der vertikalen Kammerrichtung gesetzt werden und eine angenäherte Linie (eine gepunktete Linie) an beiden Seiten der Kammer 2 gezogen wird. Drei Punkte werden in einem Bereich von 0,5 mm von der ungefähren Linie in der vertikalen Richtung gesetzt und ungefähre Linien (gepunktete Linien) werden gezogen. Schnittpunkte dieser ungefähren Linien werden als die Kammerendteile definiert.
Ferner wurden für jedes der praktischen Beispiele und der Vergleichsbeispiele die Höhe Hp in der Stapelrichtung der Diffusionsschicht 21 und die durchschnittliche Höhe Have der Kammer 2 an der Position, an der die Pumpzelle 3 gebildet ist, gemessen, um in Tabelle 1 gezeigt zu sein. Wie in 18 gezeigt ist, wurde die Höhe zwischen der Festkörperelektrolytplatte 11 und der Abschirmplatte 13 an jedem des Eingangsteils, des Mittelteils und des Ausgangsteils der Pumpelektrode 31 in der Gasströmungsrichtung gemessen und ein durchschnittlicher Wert von diesen wurde als die durchschnittliche Höhe Have erlangt. $\begin{array}{l} Die durchschnittliche H \ddot{o} he Have = (Pumpzellein gangsh \ddot{o} he Hi + Mittelh \ddot{o} he \\ Hc + Ausgangsh \ddot{o} he Ho) / 3 \end{array}$
In jedem der praktischen Beispiel 1 bis 6 ist die Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 niedriger als die durchschnittliche Höhe Have der Kammer 2, und die mittlere Höhe Hc und die Ausgangshöhe Ho der Kammer 2 sind niedriger als die Eingangshöhe Hi der Pumpzelle 3. In praktischen Beispielen 1 und 2 nimmt die Höhe der Pumpzelle 3 schrittweise von dem Eingang in Richtung des Ausgangs aus oder ist dieselbe in der Mitte und an dem Ausgang. In praktischen Beispielen 3 bis 6 ist die Höhe ungefähr dieselbe in der Mitte und an dem Ausgang oder geringfügig höher an der Mitte. Im Vergleichsbeispiel 5 ist die Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 höher als die durchschnittliche Höhe Have der Kammer 2.
Tabelle 1 zeigt Ergebnisse der Bestätigung der O₂-Abführkapazität und Gasansprechempfindlichkeit von praktischen Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 bis 5. Für die O₂-Abführkapazität repräsentiert das Symbol ×, dass es nicht möglich war, den NOx-Stromwert zu messen, da der Sauerstoffstromwert (Hintergrund) der Überwachungszelle 5 groß war und der Differentialstrom zwischen der Sensorzelle 4 und der Überwachungszelle 5 instabil war, während das Symbol o repräsentiert, dass es möglich war, den NOx-Stromwert zu messen, da der Sauerstoffstromwert (Hintergrund) der Überwachungszelle 5 klein war und der Differentialstrom zwischen der Sensorzelle 4 und der Überwachungszelle 5 stabil war. Für die Gasansprechempfindlichkeit repräsentiert das Symbol ×, dass die Ansprechempfindlichkeit hinsichtlich der Variation der NOx-Gaskonzentration schlecht war und unmessbar, während das Symbol o repräsentiert, dass die Ansprechempfindlichkeit hinsichtlich der Variation der NOx-Gaskonzentration gut und messbar war.
19A zeigt die Beziehung zwischen dem Kammerwölbungsbetrag und der O₂-Abführkapazität der praktischen Beispiele und Vergleichsbeispiele, welche eine konkave Kammerform haben.
Wie aus 19A offensichtlich ist, nimmt die O₂-Abführkapazität mit der Zunahme des Kammerkrümmungsbetrages zu. Im Vergleichsbeispiel 4 jedoch, wo der Kammerwölbungsbetrag 1,40 % ist, traten Risse in dem Plattenstapel-/Komprimierschritt auf. Ebenso traten im Vergleichsbeispiel 3, wo der Kammerwölbungsbetrag 0,05 % ist, Tritte in dem Sinter-/Entfettungsschritt auf. Es wurde herausgefunden, dass zufriedenstellende Ergebnisse nicht erhalten werden können, wenn der Kammerwölbungsbetrag zu groß oder zu gering ist. Die 19B und 19C zeigen einen Vergleich des Verhaltens in dem Sinter-/Entfettungsschritt zwischen einem Fall, in dem der Kammerwölbungsbetrag 0,05 % überschreitet und einem Fall, in dem der Kammerwölbungsbetrag 0,05 % nicht überschreitet. Beispielsweise tritt, wenn eine Entfettungsschrumpfung zuerst aufgrund der Variation der Entfettungstemperatur oder der Harzextraktion auftritt, da es keine Erlaubnis zur Verlängerung gibt, eine Zugbelastung auf und Risse treten leicht auf (siehe beispielsweise 19C).
Wohingegen durch ein Fertigen der Festkörperelektrolytplatte 11 in einer gewölbten Form auf der Bodenoberflächenseite und ein Veranlassen derselben, im Voraus extensional verformt zu werden, Risse durch ein Verringern der Zugbelastung während des Entfettens verhindert werden können (siehe beispielsweise 19B).
Andererseits traten im praktischen Beispiel 3, wo er 0,10 % ist, und im praktischen Beispiel, wo er 1,38 % ist, keine Risse auf. Demzufolge wird der Kammerwölbungsbetrag vorzugsweise höher als oder gleich 0,10 % und niedriger als oder gleich 1,38 % in der vorliegenden Erfindung eingestellt. Wie aus den Ergebnissen in Tabelle 1 offensichtlich ist, wurden gemäß den praktischen Beispielen 1 bis 6 zufriedenstellende Ergebnisse in sowohl der O₂-Entladekapazität als auch der Gasansprechempfindlichkeit erhalten. Andererseits ist im Vergleichsbeispiel 1, in dem die Kammer 2 verformt ist, um nach außen sich auszudehnen und im Vergleichsbeispiel 5, in dem die Höhe Hp der Diffusionsschicht 21 höher ist als die durchschnittliche Höhe Have die O₂-Entladekapazität nicht ausreichend. Im Vergleichsbeispiel 2, in dem die Kammer 2 verformt ist, um nach außen sich auszudehnen, die O₂-Entladekapazität durch ein Verlängern der longitudinalen Längen der Kammer 2 und der Pumpzelle 3 verbessert, jedoch ist die Gasansprechempfindlichkeit verringert.
In der vorliegenden Erfindung muss der Gassensor 1 wenigstens die Struktur haben, in welcher die Pumpzelle 3 und die Sensorzelle 4 von der stromaufwärtigen Seite innerhalb der Kammer angeordnet sind. Durch ein Einsetzen der Form der Kammer 2 der vorliegenden Erfindung ohne auf die gestapelte Struktur der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein können dieselben Vorteile erwartet werden. Die Wandoberfläche der Kammer 2 kann anders sein als die oben beschriebenen Formen. Als Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements 1 können verschiedene Verfahren zum Bilden der Form der Kammer 2 der vorliegenden Erfindung anders als die Verfahren, welche in den obigen Ausführungsformen beschrieben sind, eingesetzt werden.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Wie obenstehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Gassensor, welcher sowohl die Erfassungsgenauigkeit als auch die Ansprechempfindlichkeit erfüllt, implementiert werden. Dieser Gassensor ist als NO_x-Gassensor geeignet, um in einem Abgassystem einer internen Verbrennungsmaschine installiert zu werden, um dazu beizutragen, die Abgasreinigungsleistungsfähigkeit zu erhöhen. Die spezifische Gaskomponente, welche durch den Gassensor der vorliegenden Erfindung zu erfassen ist, ist nicht auf NO_x beschränkt. Beispielsweise kann es SO_x oder andere sein. Das Messgas ist nicht auf ein Abgas von einer internen Verbrennungsmaschine beschränkt. Er kann zum Erfassen eines spezifischen Gases in verschiedenen Gasen verwendet werden, um herausragende Sensorcharakteristiken zu zeigen.
[Bezugszeichenliste]

1: Gassensorelement
11: Festkörperelektrolytplatte (erste Keramikplatte)
12: Kammerbildungsplatte (zweite keramische Platte)
13: Abschirmplatte (dritte keramische Platte)
2: Kammer
21: Diffusionsschicht
3: Pumpzelle
31: Pumpelektrode
4: Sensorzelle
41: Sensorelektrode

Claims

Gassensor zum Erfassen einer spezifischen Komponente in einem Messgas, der Folgendes aufweist: eine Kammer (2), welche in einem Gassensorelement (1) vorgesehen ist, welches gestapelte tafelförmige Keramikplatten (11-13) aufweist, wobei das Messgas in die Kammer (2) durch eine poröse Diffusionsschicht (21), welche an einem Endteil davon in einer longitudinalen Richtung des Gassensorelements (1) vorgesehen ist, eingeführt wird; eine Pumpzelle (3), welche eine Pumpelektrode (31) hat, welche an einer stromaufwärtigen Seite eines Gasstroms innerhalb der Kammer (2) zum Auspumpen von Sauerstoff in dem Messgas angeordnet ist; und eine Sensorzelle (4), welche eine Sensorelektrode (41) hat, welche an einer stromabwärtigen Seite des Gasstroms innerhalb der Kammer (2) zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgas, dessen Sauerstoffkonzentration verringert wurde, angeordnet ist, wobei das Gassensorelement (1) eine Struktur hat, in welcher die erste Keramikplatte (11) auf deren Oberfläche, die der Kammer (2) zugewandt ist, die Pumpelektrode (31) und die Sensorelektrode (41) angeordnet sind, die zweite Keramikplatte (12), welche eine Öffnung (22) hat, um die Kammer (2) zu bilden, und die dritte Keramikplatte (13), welche die Öffnung (22) bedeckt, um die Kammer (2) zu begrenzen, aufeinander gestapelt sind, die Kammer (2) eine Wölbungsform hat, in welcher eine Oberfläche wenigstens einer der ersten Keramikplatte (11) und der dritten Keramikplatte (13), welche eine Kammerwand bilden, von der Kammer (2) konvex nach innen ist, an einer Position, an der die Pumpzelle (3) gebildet ist, wobei ein Wölbungsbetrag der Oberfläche in einem Bereich von 0,1 % oder höher bis 1,38 % oder niedriger eingestellt ist, und die Diffusionsschicht (21) und die Kammer (2) eine Beziehung von Hp<Have erfüllen, wobei Hp eine Höhe der Diffusionsschicht (21) in einer Stapelrichtung ist und Have eine durchschnittliche Höhe der Kammer (2) in einer Stapelrichtung an der Position, an der die Pumpzelle (3) gebildet ist, ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Wölbungsbetrag der Oberfläche basierend auf maximalen Verformungsbeträgen in der longitudinalen Richtung und einer transversalen Richtung des Gassensorelements (1) berechnet wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die longitudinale Richtung des Gassensorelements (1) eine Gasströmungsrichtung ist, und die Kammer (2) solch eine Form hat, dass eine Querschnittsfläche davon an einem Gaseingangsteil kleiner ist als eine Querschnittsfläche davon an einem Gasausgangsteil, und eine Höhe an einer Position eines Mittelteils der Pumpelektrode (31) niedriger ist als eine Höhe wenigstens einer Wandoberfläche eines Endteils der Kammer (2), wobei die Diffusionsschicht (21) entlang des Gaseingangsteils der Pumpelektrode (31) angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Kammer (2) solch eine Form hat, dass eine Querschnittsfläche davon schrittweise von einem Gaseingangsteil in Richtung eines Gasausgangsteils der Pumpelektrode (31) in der longitudinalen Richtung des Gassensorelements (1) abnimmt, und stromabwärts eines Mittelteils in einer Gasströmungsrichtung minimal wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Kammer (2) solch eine Form hat, dass eine Höhe davon schrittweise von einem oder beiden Endteilen der Kammer (2) in Richtung einer Position eines Mittelteils der Pumpelektrode (31) in einer transversalen Richtung des Gassensorelements (1) abnimmt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Kammer (2) eine gewölbte Form hat, in welcher wenigstens eine der inneren Oberflächen der Öffnung der zweiten Keramikplatte (12), welche Kammerwände entgegengesetzt in einer transversalen Richtung des Gassensorelements (1) bilden, nach innen von der Kammer (2) an der Position konvex ist, an der die Pumpzelle (3) gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die erste Keramikplatte (11) eine Festkörperelektrolytplatte ist, welche eine Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit hat, und eine Referenzelektrode aufweist, welche der Pumpelektrode (31) oder der Sensorelektrode (41) auf einer Oberfläche davon entgegengesetzt zu der Kammer (2) entspricht, um die Pumpzelle (3) oder die Sensorzelle (4) zu bilden.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Keramikplatte (12) und die dritte Keramikplatte (13) Isolierplatten sind, welche keine Permeabilität für das Messgas haben.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Messgas ein Abgas einer internen Verbrennungsmaschine ist, und die spezifische Gaskomponente ein Stickoxidgas ist.